Гидроэлектроэнергия. Высоконапорные, средненапорные, русловые гидроэлектростанции

Такие электростанции (см. рисунок II.4.16) характеризуются специфической гидрологией в силу своего расположения вблизи истока реки, часто в высокогорье, где водосборы невелики. Гидрологический режим будет типичен для таких мест: существенная сезонная изменчивость стока, непосредственно обусловленная высокой интенсивностью дождей в горной местности, а на больших высотах — снеготаянием.

Рисунок II.4.16. Высоконапорная гидроэлектростанция

В результате наблюдаются периоды как очень высокого, так и очень низкого стока. Поэтому плотина должна обеспечивать задержание воды в период очень высокого стока, с тем чтобы ее можно было использовать в периоды спроса на электроэнергию. В случае если высокий сток вызван таянием снега, водохранилище должно иметь достаточно большие размеры для того, чтобы вместить всю воду, аккумулированную в снежном покрове выше по течению.

Способы определения размеров водохранилищ описаны в разделе 4.2. Из-за значительных уклонов реки водохранилище может быть сооружено так, чтобы обеспечить достаточно большую величину высоты падения между уровнями турбин и водохранилища без необходимости перемещения воды на большие расстояния. В таких случаях возможно вырабатывать большое количество гидроэлектроэнергии, несмотря на относительно низкие расходы (см. уравнение 4.7). Это отношение для высоких плотин может быть представлено следующим образом:

Сооружения такого типа могут запасать воду и, таким образом, осуществлять перераспределение воды между сезонами, а дополнительно к этому — поддерживать скорости потока на уровне, необходимом для удовлетворения спроса на электроэнергию в периоды низкого стока.

Средненапорные гидроэлектростанции. В среднем течении реки поток уже более установившийся, чем в верховьях, а уклон по-прежнему достаточно велик для того, чтобы обеспечить полезный напор порядка 40-100 метров. По этой причине можно установить плотину, которая позволит задержать часть воды в периоды низкого электропотребления: в ночное время, в часы низкой активности или в нерабочие дни (см. рисунок II.4.17).

Рисунок II.4.17. Средненапорная гидроэлектростанция

Более того, в периоды высокого потребления электроэнергии, запасенная вода может срабатываться через турбины с расходом, превышающим норму. Такой тип эксплуатации может осуществляться на суточной, недельной или месячной основе.

Мощность такой установки может быть выражена следующим образом:

Русловые гидроэлектростанции. Установка такого типа, также известная как низконапорная электростанция (см. рисунок II.4.18), не обеспечивает запас воды для последующего использования и производства гидроэлектроэнергии и полностью зависит от скорости течения реки. Часть потока или весь поток проходит через турбины и немедленно возвращается в реку. Таким образом, скорость потока не претерпевает каких-либо изменений.

Рисунок II.4.18. низконапорная гидроэлектростанция

Если турбина останавливается в случае отсутствия спроса на электричество или необходимости ее ремонта, поток должен быть направлен по альтернативному пути с помощью затворов или обводного канала. Отведенная таким образом вода не используется для выработки электричества. Поскольку русловые гидроэлектростанции действуют непрерывно, для проектирования размера турбин и прочих характеристик установки требуется детальное исследование гидрологического режима потока.

Продолжает расти количество плавучих мельниц на больших реках. Для их изготовления используются водяные колеса, которые приводят в действие генераторы переменного тока. Мельницы устанавливаются на баржах, и их положение в русле фиксируется с помощью тросов и лебедок. Их достоинство в том, что они поднимаются или опускаются в соответствии с изменением уровня воды и могут быть возвращены к берегу для технического обслуживания или в период паводков и всегда могут быть расположены там, где скорость потока максимальна.

Кроме того, капиталовложения в них довольно скромные, а необходимое генерирующее оборудование небольших размеров и может быть произведено на местах. Нет необходимости в проведении гидротехнических работ в русле, требуется только установить лебедки на берегах. Их существенный недостаток — низкий КПД лопастных колес, составляющий от 30 до 50 процентов.

Насосные гидроаккумулирующие станции. Сделать большие запасы электричества невозможно. Но возможно электричество, произведенное в периоды низкого спроса на него, использовать для поднятия воды насосами и сохранения ее в резервуаре на значительной высоте над уровнем реки. Когда спрос на электроэнергию вновь увеличится, можно сработать воду через турбины для производства электричества.

КПД всей операции составляет около 70 процентов, но это выгоднее чем потеря используемой для поднятия воды электроэнергии в случае остановки низконапорных турбин. Станции такого типа напоминают высоконапорные электростанции и часто насосы, будучи насосами обратного действия, используются в качестве турбин. Производительность их может быть не столь высока, но она важна ввиду колебаний ее доли в общем объеме электроэнергии, вырабатываемой на данной территории или в данной стране.